Tema IV

La luz su naturaleza y su velocidad

• Lección 1ª La luz su naturaleza y su velocidad – La luz “vista” por Newton y por “Einstein”. – La luz como onda. Polarización, reflexión y refracción – Propagación de la luz. Espejismos y arco iris

• Lección 2º Observando el firmamento – El espectro electromagnético – Eclipses y fenómenos lunares – Del telescopio al radiotelescopio: La llamada del firmamento.

• Por luz entendemos la porción del espectro electromagnético que es visible por el ojo humano. • Corresponde a la banda de frecuencias entre 4,3 x 1014 y 7,5 x 1014 Hz. Que son las del rojo y el violeta respectivamente

• La luz vista por Newton y por Einstein • La luz como onda. El espectro electromagnético • Propagación de la luz. Espejismos y arco iris.

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Naturaleza de la luz I

La luz

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Naturaleza de la luz II

Naturaleza de la luz III • Segunda mitad del siglo XIX Foucault, Maxwell, Kirchhoff, Hertz confirman la teoría ondulatoria de Huygens empleando una formulación matemática firme. 1887 Hertz descubre el efecto fotoeléctrico, la luz desprende electrones con facilidad de ciertos materiales. Se cuestiona la teoría ondulatoria

Teorí Teoría Ondulatoria • Huygens y Hooke:

Teorí Teoría corpuscular • Newton

explica – Reflexión y refracción siendo mayor la velocidad en el aire – La aparición de colores en la láminas de pequeño espesor

explica – Propagación rectilínea – Reflexión y refracción yerra – La velocidad en el agua y el vidrio mayor que en el aire para explicar la refracción. A los 200 años se comprueba el error

• Young y Fresnel explican además – Interferencia y difracción 4

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Naturaleza de la luz IV

Absorción

Emisión

Thompson, Planck y Einstein Comportamiento dual • La luz se comporta como una onda y como una partícula. Las partículas de luz se llaman “fotones” cuya energía es E=h•ν siendo “h” la constante de Planck y “ν” la frecuencia de la luz considerada Rutherford, Bohr y Schrödinger explican la emisión y absorción de luz por la materia 7

• Cada elemento puro emite una serie determinada de frecuencias que le son propias. • A esas frecuencias se las denomina espectro de emisión del elemento. • Se observan empleando un espectroscopio 8

Aplicación El tubo fluorescente

Estructura atómica

• Si a un elemento, en estado gaseoso, le hacemos pasar luz blanca absorbe una serie determinada de frecuencias que le son propias. • El conjunto de esas frecuencias forman su espectro de absorción • Cuya observación se lleva a cabo, también, con ayuda del espectroscopio 9

El tubo fluorescente

• Las frecuencias emitidas por el elemento son las mismas que las absorbidas por él

• Dependen exclusivamente de su estructura atómica 10

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La velocidad de la luz I

La velocidad de la luz II

• Hoy sabemos que la velocidad es de 300.000 km/s, pero ¿cómo medirla?

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– Se midió el período entre dos eclipses del satélite “Io” de Júpiter cuando la Tierra se aleja de Júpiter (42,5 h)

• La primera experiencia para medir la velocidad de la luz se debe a Galileo – Otro observador y él colocados en dos colinas, distantes 1 km, cada uno con una linterna y un obturador. La respuesta humana es muy lenta para la velocidad de la luz. 13

La luz como onda • Una onda es una forma de transmisión de energía que depende del tiempo y de la posición. • Sus magnitudes fundamentales son: – – – –

La velocidad de la luz III

• La primera medida “valida” fue empleando medidas astronómicas:

Amplitud Frecuencia y período Longitud de onda Velocidad de propagación

• Se describe por – El frente de onda – Rayos 16

• Despreciando el movimiento de Júpiter (es mucho más lento que la Tierra) se midió el período de “Io” cuando la Tierra se encuentra en el punto más cercano a Júpiter “A” y se calculó el tiempo en que debe producirse el eclipse medio año después, cuando la Tierra está en “C”, el tiempo en el que se observa el eclipse es de 16,6 minutos después de lo previsto. Ese tiempo debe ser el que la luz tarda en recorrer una distancia equivalente al diámetro de la órbita terrestre. 14

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En una colina cercana a París, Fizeau (1849) colocó una fuente luminosa, cuyos rayos, focalizados por una lente, incidían sobre un espejo semitransparente que los enviaba a otro espejo plano reflector colocado en otra colina, el cual devolvía la luz al espejo semitransparente que en incidencia normal dejaba pasar la luz y permitía su observación. En su trayecto entre los dos espejos, se hacían pasar tanto el rayo incidente como el reflejado en el espejo reflector por entre los dientes de un rueda dentada con 720 dientes, de modo que sólo si en su camino el rayo incidente coincidía con un espacio interdental y el reflejado con el espacio interdental siguiente se podía apreciar luz por el observador situado detrás del espejo semitransparente. La velocidad de giro de la rueda permite saber el tiempo empleado por la luz en su recorrido. 15

Tipos de ondas

Polarización

• En una onda hay que distinguir la dirección de propagación y la dirección de vibración • Si son la misma la onda es longitudinal sin son perpendiculares la onda es transversal • El sonido es una onda longitudinal • La luz es una onda transversal

• El campo eléctrico que se transmite en una onda electromagnética puede tener diversas direcciones de vibración. No está polarizada • Si la dirección de oscilación es única la onda se llama polarizada

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Reflexión y refracción de la luz • Si un rayo luminoso llega a la frontera entre dos medios, rayo incidente, puede ocurrir o que la energía de la onda electromagnética se mantenga en el primer medio, o que se transmita al medio limítrofe • En el primer caso diremos que el rayo sea reflejado y en el segundo que se ha refractado. • Realmente, lo que acabamos de decir no va a cumplirse al cien por cien, pues siempre un porcentaje más o menos importante de la energía se va a transmitir y el resto se va a reflejar en la frontera.

• La reflexión de la luz es el fenómeno que se produce cuando un rayo luminoso llega a la frontera entre dos medios y no penetra en el segundo de los medios, volviendo al medio del que procedía.

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Refracción • La refracción se produce cuando un rayo llega a la superficie de separación entre dos medios y se transmite al segundo. • En este caso el ángulo de incidencia y el de refracción son distintos (n senθi = n’ senθt) Ley de Snell siendo n y n’ los índices de refracción del medio incidente y refractante respectivamente El índice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio en cuestión

Reflexión de la luz II

Reflexión de la luz

– Los rayos incidente y reflejado y la normal a la superficie reflectora se encuentran en el mismo plano, denominado plano de incidencia. – Los rayos incidente y reflejado están en lados opuestos de la normal. – El ángulo de incidencia (formado entre el rayo incidente y la normal) y el ángulo de reflexión (el formado por la normal y el rayo reflejado) son iguales. “θi = θr” 20

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Refracción III

Refracción II

• Dependiendo de los valores de los índices de refracción, se puede presentar el fenómeno de reflexión total. • Recordemos la Ley de Snell: (n senθi = n’ senθt) • Como el seno de un ángulo tiene por valor máximo la unidad, si n > n’, para ciertos ángulos de incidencia el seno del ángulo de refracción debe ser mayor que “1”, al ser imposible el rayo se refleja totalmente.

• Supongamos un punto luminoso en el agua a profundidad d por refracción lo observamos en S’ situado a una profundidad d’. • Pues el índice de refracción del agua es mayor que el del aire 22

La reflexión se puede producir sobre una superficie lisa. Diremos que tenemos una reflexión especular Si la reflexión ocurre sobre una superficie rugosa, tendremos una reflexión difusa En este caso se cumplen las leyes de la reflexión en cada punto “θi = θr” pero al no ser único el plano de la superficie al ojo llegan imágenes desde distintos planos y no se forma imagen definida (cristal esmerilado)

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La refracción explica Los espejismos Si un rayo entra en un medio de mayor índice de refracción se acerca a la normal a la superficie. Si consideramos varios medios superpuestos de índice de refracción cada vez mayores el rayo se acerca cada vez más a la normal. El aire caliente se comporta como capas de aire de índice de refracción cada vez mayores.

Aplicaciones de la reflexión y de la refracción

Lentes

• Ya hemos visto que la luz al llegar a la frontera de dos medios se refleja y se refracta • En muchos casos conseguimos que un efecto sea muy superior al otro y tenemos las lentes y los espejos.

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Lentes divergentes (formación de imágenes)

Lentes convergentes

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Lentes divergentes

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Espejos

Espejos cóncavos II

Espejos cóncavos

• Los espejos pueden ser: – cóncavos – convexos

• Los puntos fundamentales en ambos casos son el foco y el centro de curvatura

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Espejos convexos II

Espejos convexos

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Interferencias • Se producen cuando dos ondas afectan a la vez a un mismo punto. • Según el valor de la diferencia de distancias (d2 – d1) del punto a cada foco tendremos: - Interferencia constructiva: (d2 – d1) = n λ - Interferencia destructiva (d2 – d1) = (n+1) λ/2

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Difracción • La difracción de las ondas es la propiedad que tienen de “bordear los bordes” • Este fenómeno se presenta cuando el obstáculo y la longitud de onda son del mismo orden de magnitud • Si colocamos más de una rendija tendremos distintas figuras de difracción • Podemos formar redes de difracción 37

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